Was ist die Gleitfilamenttheorie der Muskelkontraktion?
Die Gleitfilamenttheorie ist die Erklärung dafür, wie sich Muskeln zusammenziehen, um Kraft zu erzeugen. Wie wir auf den vorherigen Seiten erwähnt haben, binden sich die Aktin- und Myosin-Filamente in den Sarkomeren der Muskelfasern, um Kreuzbrücken zu bilden, und gleiten aneinander vorbei, wodurch eine Kontraktion entsteht. Die Gleitfilamenttheorie erklärt, wie diese Querbrücken gebildet werden und die anschließende Kontraktion des Muskels.
Die Gleitfilamenttheorie
Damit eine Kontraktion auftritt, muss zuerst eine Stimulation des Muskels in Form eines Impulses (Aktionspotential) von einem Motoneuron (Nerv, der sich mit dem Muskel verbindet) erfolgen.
Das einzelne Motoneuron plus die Muskelfasern, die es stimuliert, wird als motorische Einheit bezeichnet. Die motorische Endplatte (auch als neuromuskuläre Verbindung bekannt) ist die Verbindung des Axons der Motoneuronen und der Muskelfasern, die es stimuliert.
Wenn ein Impuls die Muskelfasern einer motorischen Einheit erreicht, stimuliert er in jedem Sarkomer eine Reaktion zwischen den Aktin- und Myosin-Filamenten. Diese Reaktion führt zum Beginn einer Kontraktion und der Gleitfilamenttheorie.
Die Reaktion, die aus dem Eintreffen eines Impulses entsteht, regt die ‚Köpfe‘ auf dem Myosin-Filament an, nach vorne zu greifen, sich am Aktin-Filament zu befestigen und Aktin in Richtung Zentrum des Sarkomers zu ziehen. Dieser Prozess findet gleichzeitig in allen Sarkomeren statt, deren Endprozess die Verkürzung aller Sarkomere ist.
Troponin ist ein Komplex aus drei Proteinen, die für die Muskelkontraktion von wesentlicher Bedeutung sind. Troponin ist an das Protein Tropomyosin innerhalb der Aktinfilamente gebunden, wie im Bild unten zu sehen ist. Wenn der Muskel entspannt ist, blockiert Tropomyosin die Befestigungsstellen für die Myosin-Kreuzbrücken (Köpfe) und verhindert so eine Kontraktion.Wenn der Muskel durch den Nervenimpuls zur Kontraktion angeregt wird, öffnen sich Kalziumkanäle im sarkoplasmatischen Retikulum (das effektiv ein Speicherhaus für Kalzium im Muskel ist) und geben Kalzium in das Sarkoplasma (Flüssigkeit in der Muskelzelle) ab. Ein Teil dieses Kalziums bindet an Troponin, was zu einer Veränderung der Muskelzelle führt, die Tropomyosin aus dem Weg räumt, so dass die Kreuzbrücken anhaften und Muskelkontraktionen hervorrufen können.
Zusammenfassend lässt sich die Gleitfilamenttheorie der Muskelkontraktion in vier verschiedene Stadien unterteilen:
1. Muskelaktivierung: Der motorische Nerv stimuliert ein Aktionspotential (Impuls), um ein Neuron an den neuromuskulären Übergang weiterzugeben. Dies stimuliert das sarkoplasmatische Retikulum, um Kalzium in die Muskelzelle freizusetzen.
2. Muskelkontraktion: Kalzium flutet in die Muskelzellbindung mit Troponin, wodurch Aktin und Myosin binden können. Die Aktin- und Myosin-Kreuzbrücken binden und kontrahieren unter Verwendung von ATP als Energie (ATP ist eine Energieverbindung, mit der alle Zellen ihre Aktivität antreiben – dies wird im Ordner energy System hier bei ptdirect ausführlicher erörtert).
3. Wiederaufladen: ATP wird re-synthetisiert (re-hergestellt), so dass Aktin und Myosin ihren starken Bindungszustand beibehalten können
4. Entspannung: Entspannung tritt auf, wenn die Stimulation des Nervs aufhört. Calcium wird dann zurück in das sarkoplasmatische Retikulum gepumpt, wodurch die Verbindung zwischen Aktin und Myosin unterbrochen wird. Aktin und Myosin kehren in ihren ungebundenen Zustand zurück, wodurch sich der Muskel entspannt. Alternativ Entspannung (Ausfall) tritt auch auf, wenn ATP nicht mehr verfügbar ist.
Damit eine Skelettmuskelkontraktion auftritt;
1. Es muss einen neuronalen Reiz geben
2. Es muss Kalzium in den Muskelzellen sein
3. ATP muss für Energie verfügbar sein
So können ein paar Dinge eine Kontraktion stoppen;
1. Ermüdung des Energiesystems: Es gibt kein ATP mehr in der Muskelzelle, so dass es nicht weiter kontrahieren kann.
2. Ermüdung des Nervensystems: Das Nervensystem ist nicht in der Lage, Impulse ausreichend oder schnell genug zu erzeugen, um den Reiz aufrechtzuerhalten und die Freisetzung von Kalzium zu bewirken.
3. Freiwillige Kontrolle des Nervensystems: Der Nerv, der dem Muskel sagt, dass er sich zusammenziehen soll, hört auf, dieses Signal zu senden, weil das Gehirn es ihm sagt, so dass keine Kalziumionen mehr in die Muskelzelle gelangen und die Kontraktion stoppt.
4. Informationen zum sensorischen Nervensystem: Zum Beispiel gibt ein sensorisches Neuron (Nerven, die Reize wie Schmerzen oder wie schwer etwas ist) dem Gehirn eine Rückmeldung, dass ein Muskel verletzt ist, während Sie versuchen, ein schweres Gewicht zu heben, und folglich wird der Impuls an diesen Muskel, der ihm sagt, dass er sich zusammenziehen soll, gestoppt.
In der Turnhalle oder während des Trainings praktisch alle Muskelermüdung auftritt, ist Energiesystem Müdigkeit. Das heißt, die Arbeitsgeschwindigkeit innerhalb des Muskels kann nicht aufrechterhalten werden, da ATP (Energie) nicht mehr bereitgestellt werden kann. Kraft und Hypertrophie (Training, um Muskeln stärker oder größer zu machen) Training sind Paradebeispiele für die Arten von Training, die Muskelversagen aufgrund von Ermüdung des Energiesystems verursachen können.